Физические основы работы фотодиодов в фотогальваническом и фотодиодном режимах Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

3. Соломатин В. А., Якушенков Ю. Г. Сравнение некоторых способов определения координат изображений, осуществляемых с помощью многоэлементных приемников излучения // Изв. вузов СССР. Приборостроение. 1986. № 9. С. 62—69.

4. Тарасов В. В., Якушенков Ю. Г. Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы с матричными приемниками излучения. М.: Университетская книга; Логос, 2007. 192 с.

5. Latyev S. M., Pankov E. D., Prokofjev A. V., Tymofeev A. N. Refraction's slacking in optoelectronic systems for positioning of elements of ecological dangerous objects // Proc. SPIE. 2004. Vol. 5381. P. 157—163.

Антон Андреевич Мараев

Александр Николаевич Тимофеев —

Сергей Николаевич Ярышев

Сведения об авторах аспирант; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра оптико-электронных приборов и систем; E-mail: antoshka87@gmail.com

канд. техн. наук; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра оптико-электронных приборов и систем; E-mail: timofeev@grv.ifmo.ru

канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра оптико-электронных приборов и систем; E-mail: ysn63@mail.ru

Рекомендована факультетом ОИСТ

Поступила в редакцию 25.11.11 г.

УДК 681.78

Г. Г. Ишанин, В. П. Челибанов

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ФОТОДИОДОВ В ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКОМ И ФОТОДИОДНОМ РЕЖИМАХ

Рассматриваются особенности работы фотодиодов на основе p—«-перехода в фотогальваническом (ФГ) и фотодиодном (ФД) режимах. Выводится выражение для полного тока фотодиода. Проанализированы достоинства и недостатки работы фотодиодов в ФГ- и ФД-режимах.

Ключевые слова: фотодиод, вольтовая чувствительность, фотогальванический режим, фотодиодный режим.

Фотодиодами (ФД) называют полупроводниковые приборы, основанные на внутреннем фотоэффекте, использующие одностороннюю проводимость р—«-перехода, в которых при облучении появляется ЭДС (фотогальванический режим). В случае, когда к фотодиоду прикладывается питающее обратное напряжение, при облучении ФД появляется обратный ток неосновных носителей и реализуется фотодиодный режим. Фотодиоды изготавливают на основе гомогенного перехода (р—«-переход, образованный на границе двух областей одинакового материала, но с примесями противоположного типа). Возможно изготовление ФД и на основе гетерогенного перехода (р—«-переход, образованный на границе двух областей разного материала с примесями противоположного типа), барьера Шоттки (контактный барьер, образующийся на границе „металл—«-полупроводник" или „металл—р-полупроводник").

Рассмотрим особенности работы фотодиодов на основе р—«-переходов в фотогальваническом (ФГ) режиме [1]. После спекания «- и р-полупроводников начинается процесс диффузии основных носителей «„ и рр в противоположные области (в которых они становятся

неосновными пр и рп), при этом появляются диффузионные токи основных носителей Iпп и I рр (рис. 1). Количество носителей, диффундирующих из п-области в р-область и, наоборот, в ФД, зависит от их концентрации в соответствующих областях.

Образующаяся после диффузии контактная разность потенциалов и приводит к возникновению дрейфовых обратных токов неосновных носителей 1пр и 1рп.

Направление токов основных носителей Iпп и I'рр одинаково, так как дырочный ток — это условное понятие. То же можно сказать и о токах неосновных носителей 1пр и 1рп, которые возникают под действием контактной разности потенциалов ик. В установившемся режиме при отсутствии облучения токи основных носителей уравновешиваются токами неосновных носителей и сумма токов равна нулю:

I + I -1 -1 = 0

пп рр пр рп

(1)

где I пп и I' рр — токи основных носителей в отсутствие облучения фотодиода; ^р и ^п — обратные дрейфовые токи неосновных носителей, вызванные контактной разностью потенциалов ик.

ик

©-

©

©-

0

а 0

0 0-

Гnp + Гpn

=;= р—и-переход

•0

© -0 ©

©

-0

0

-0

I + I

1 пп 1 1 рр

Рис. 1

Число носителей, перешедших в противоположные области, определяется следующим образом:

пр = пп ехр [-е ик /(кТ)], рп = рр ехр [-еик /(кТ)], (2)

где пр — число электронов, перешедших в р-область из п-области за счет диффузии, рп — число дырок, перешедших в п-область за счет диффузии, пп и рр — концентрация основных носителей в соответствующих областях; е = 1,6 -10-19 [А • с] — заряд электрона; к = 1,38-10-23 [Дж-К-1] — постоянная Больцмана; Т [К] — температура полупроводников и р—п-перехода. Умножив выражения (2) на заряд электрона, получим:

Г'ш = Гnp = епп ехр[-еик /(кТ)] Грр = Гpn = ерр ехр[-еик /(кТ)\

а контактная разность потенциалов будет равна:

ик = (кТ / е)1п(пп / пр ) = (кТ / е)1п(рр / рп ).

(3)

(4)

Из полученных выражений можно сделать вывод, что „темновые" токи основных и неосновных носителей и ик зависят от абсолютной температуры полупроводника.

При облучении фотодиода с включенной нагрузкой через последнюю потечет фототок неосновных носителей, для которых ик является ускоряющим, а для основных носителей — запирающим (рис. 2). Направление фототока !ф = ¿¿Ф совпадает с „темновыми" токами неосновных носителей (Si [А/Вт] — токовая чувствительность фотодиода в ФГ-режиме, Ф — поток излучения).

и

х

Падение напряжения (Ur^ > 0) на сопротивлении нагрузки (Кн) вычитается из контактной разности потенциалов, что приводит к увеличению токов основных носителей (рис. 2):

Inn = еп„ exp[-e(Ui - URн)1(кТ)], Ipp = epp exp[-e(Uk - Urн)1(кТ)], (5)

или, с учетом (3),

Inn = Inp exp [e UrJ(кТ)] , Ipp = Ipn exP [eURn /(кТ)] .

(6) (7)

Uk

H

р

©

©

0.

©

©-

Hl

© © ©

© ©

Lnp

п

©

-©

© —© ©

Ф

^Ф = S Iii

i=1

Rn

Ur

Рис. 2

Представим соотношение для суммарного тока, протекающего через р—«-переход:

I Inn + Ipp Inp Ipn IФ,

или

I = 1пр ехр[виКн /(кТ)] + 1рп ехр[еЦ^ /(кТ)] - 1пр - 1рп - 1ф = = 1пр (ехр [е иКя/ (кТ)] -1) + 1рп (ехр [еиКя/ (кТ)] -1) - 1ф =

= (1пр + 1рп ) (ехр [е иКн/ (кТ)] -1) - 1ф . (8)

Сумма „темновых" токов 1пр + 1рп обозначается через I и выражение для полного тока будет выглядеть следующим образом:

I = I (ехр№н / (кТ)] - 1) - 1ф. (9)

При Ян ^ да суммарный ток I = 0, а Цдн = ихх (напряжение холостого хода), т.е.:

0 = 13 (ехр[еЦхх1(кТ)]-1)- 1ф. После преобразований найдем напряжение холостого хода:

кТЛ ГI

Uхх = V1пI Г + 11 1П

кл Г ф

I,

•+1

(10)

Напряжение холостого хода (фотоЭДС) ФД в фотогальваническом режиме изменяется с ростом потока излучения по логарифмическому закону и в пределе достигает значения, равного контактной разности потенциалов р—п-перехода. Зависимость Цк = У(Ф) — сложная и нелинейная, но диапазон изменения сигнала велик. Линейность наблюдается только на начальном участке при 1ф = 1^. Продифференцируем полученное выражение и найдем экстремум функции для максимальной вольтовой чувствительности

I

pp

I

ф

I

nn

ф

I

pn

I

ф

о = йихх

и тах" й Ф кТ

кТ

1

о кТ

3,

е I 3, Ф +1* е (3, Фтах + Гs)

3,^

eГs (3, Фтах + I* )

= Я

3 Ф +1

^та^ 1 А *

(11)

кТ

где Ко = 'Ц--сопротивление р—п-перехода в отсутствие облучения.

е1*

Преобразовав (11), получим выражение для максимальной вольтовой чувствительности фотодиода в фотогальваническом режиме, зависящее также от температуры. Для комнатной температуры кТ/е= 0,025, поэтому получим:

Зитах = 0,025[3,/(3,Фтах + I*)]. (12)

В фотодиодном режиме (рис. 3) напряжение питания подается в обратном направлении. Падение напряжения на нагрузке иКн вычитается из ип, которое складывается с контактной разностью потенциалов:

I = I, (ехр ¡и^ -1|-1

где и — напряжение внешнего источника питания.

(13)

и

© ©

!рр ©

1 ©

^пп I ©

©

© © © © ©

±пр

© © © © © ©

Ф

ип

\ н

к

¿=1

Кп

Рис. 3

На рис. 4 приведены вольт-амперные характеристики фотодиода [2]: а — фотодиодный и фотогальванический режим в четырех квадрантах; б — фотодиодный; в — фотогальванический режим.

Как следует из соотношения (13), напряжение питания складывается с контактной разностью потенциалов в диодном режиме. В этом случае сопротивление р—п-перехода увеличивается, переход расширяется и ускоряющее поле для неосновных носителей становится примерно равным и. Для основных носителей и является тормозящим и токи основных носителей стремятся к нулю: ^ ^^ ^ 0.

Суммарный ток I = !ф +!, или с учетом того, что !Ф = 3, Ф, получим:

I = 3Ф + I*. (14)

= 1/Кн = 1/(и н/!н)= иип, где а — угол наклона прямой для выбранного Кн

Напряжение на нагрузке будет:

икн= Кн = 3,ФКн + №. (15)

п

I

Ф

I.

Ф

2

I

рп

н

Найдем вольтовую чувствительность фотодиода в диодном режиме

Яи = = S1Rн. (16)

Как следует из полученного выражения, значение будет тем больше, чем выше сопротивление нагрузки, которое зависит от регистрируемого потока излучения.

Для того чтобы ФД работал в линейном режиме и небольшие колебания напряжения питания не вызывали изменения фототока, нагрузочные прямые проводятся из точки ип в точку перегиба вольтовой характеристики для максимального регистрируемого потока излучения. Максимальное сопротивление должно быть согласовано с регистрируемым потоком излучения:

Rнmи = Ц/(1ф + Л) = ЦДйФ + £), (17)

откуда

3итах = 3, ип/(3,Ф + I*).

(18)

Найдем соотношение вольтовой чувствительности в фотодиодном (18) и фотогальваническом (12) режимах:

Рассмотрим особенности использования ФГ- и ФД-режимов. Достоинства фотогальванического режима

1. Отсутствие источников питания.

2. Малые собственные шумы.

3. Малый пороговый поток. Недостатки фотогальванического режима

1. Нелинейная логарифмическая зависимость сигнала от потока излучения.

2. Малое внутреннее сопротивление, что требует использования усилительного тракта с низкоомным входом.

3. Вольтовая чувствительность более чем на два порядка ниже по сравнению с ФД-режимом.

4. Большая постоянная времени по сравнению с ФД-режимом.

5. Для реализации пороговых возможностей ФД в ФГ-режиме требуются большие коэффициенты усиления усилительного тракта с малыми собственными шумами и тепловыми шумами нагрузочного сопротивления, которое приходится охлаждать. Достоинства фотодиодного режима

1. Большая вольтовая чувствительность.

2. Большое внутреннее сопротивление фотодиода, что позволяет использовать соизмеримое с ним внутреннее сопротивление усилительного тракта.

3. Небольшие, по сравнению с ФГ-режимом, коэффициенты усиления усилительного тракта.

4. Меньшая постоянная времени ФД вследствие значительного приложенного напряжения питания, которое ускоряет образовавшиеся при облучении носители тока.

5. Больший, по сравнению с ФГ-режимом, спектральный диапазон работы.

6. Выходной сигнал линеен в широком динамическом диапазоне облученности. Недостатки фотодиодного режима

1. Необходимость в источнике питания.

2. Наличие обратного тока источника питания, который приводит к увеличению всех собственных шумов ФД, к которым добавляются шумы источника питания.

3. Меньшая предельная обнаружительная способность, по сравнению с ФГ-режимом без охлаждения.

Необходимо анализировать условия использования фотогальванического и фотодиодного режимов ФД. Критериями для выбора режима являются: вольтовая чувствительность, постоянная времени и наличие напряжения питания. При использовании ФД на производстве и в бытовой технике чаще выбирают фотодиодный режим из-за высокой вольтовой чувствительности. В космической технике из-за необходимости наличия напряжения питания ФД можно использовать фотогальванический режим, однако следует иметь в виду, что постоянная времени приемников в этом случае больше.

-цтахфд = п ' У", ^тах ' * = ^ п

3и тах ФГ " (кТ / е)3/(3, Фтах +1* )Г кТ / е •

п

(19)

Напряжение питания ФД примерно равно 15 В, кТ/е= 0,025, откуда получим:

3итах ФД / 3итах ФГ = 15:0,025 =600.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ишанин Г. Г., Панков Э. Д., Челибанов В. П. Приемники излучения: Учеб. пособие для вузов. СПб: Папирус, 2003. 527 с.

2. Цуккерман С. Т., Гридин А. С. Управление машинами при помощи оптического луча. Л.: Машиностроение, 1969. 197 с.

Геннадий Григорьевич Ишанин

Владимир Петрович Челибанов —

Сведения об авторах д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра оптико-электронных приборов и систем; E-mail: Ishanin@mail.ru

канд. хим. наук, доцент; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра ЭПиМ; E-mail: chelibanov@gmail.com

Рекомендована факультетом ОИСТ

Поступила в редакцию 25.11.11 г.

УДК 535:621.373.826

М. Г. Серикова, Е. Г. Лебедько

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ РАЙСА ПРИ ОБНАРУЖЕНИИ СИГНАЛОВ В ОПТИЧЕСКОЙ ЛОКАЦИИ

Рассматривается возможность применения задачи Райса для обнаружения сигналов в приложении оптической локации. Показано, что даже в случае низкого отношения порог—шум возможно качественное обнаружение при условии приема сигнала на интервале между двумя шумовыми выбросами.

Ключевые слова: задача Райса, выбросы случайных процессов, оптическая локация, обнаружение сигналов.

В теории случайных процессов задачей Райса называется проблема поиска распределений интервалов между нулями случайного процесса в приложении теории связи [1]. Однако со временем она расширилась до поиска распределений временных интервалов не только над ненулевым, но и над функционально заданным уровнем, а также несколькими не равными друг другу уровнями. Решение данной проблемы имеет большое прикладное значение для разных областей, среди которых океанография, распознавание речи, сейсмология, биологические системы и лазерная оптика. Важным приложением решения задачи Райса в оптической локации является обнаружение и оценка информационных параметров сигналов на фоне шумов приемно-усилительного тракта.

Известно, что при заданной средней мощности случайный процесс обладает максимальной информативностью, если имеет нормальное распределение [2]. Воздействие помехи с нормальным распределением на информацию приведет к ее частичной или даже полной потере. Следовательно, наиболее опасной является помеха, которая при заданной средней мощности имеет нормальный закон распределения.

Рассмотрим распределения длительности выбросов случайного процесса при пересечении им одного уровня и интервалов между последовательными выбросами (далее — одноуровневое пересечение) [3—5]. Решение выражается через функцию Райса, которая представляет собой условную вероятность Q(т, Н) того, что процесс х(^) пересекает уровень Н с отри-